CAN总线柔性化测控教学实验平台设计

郭龙川 [1] 陈升 [1]

摘要：CAN总线是工程机械控制系统的通用总线标准。现有实验平台多承载重复性和验证性实验，如通过指示灯信号状态来展示工程机械控制系统的部分功能，大大限制了学生对相关知识的认识和思考。本项目以“机电传动与控制”课程的创新实验内容为对象，针对某种型号的智能芯片全生命周期检测系统，采用LabVIEW为开发平台，进行CAN总线柔性化测控平台设计，以实现控制系统各项参数的调试和监控目标，借此提高学生的实践能力和创新能力。

关键词： CAN总线 柔性 智能装备

1 前言

CAN总线作为一种具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的现场总线，已应用于众多工业领域，且具有强劲的市场竞争力。目前，业界对于CAN总线的应用对象已趋于自主化，智慧化，即基于大数据的智能执行过程，应用对象的高度自动化作业要求也反哺CAN技术与时俱进：（1）对于自主机器人通信系统的高效率要求；（2）对于不同通信协议之间的高度兼容性能要求；（3）物联网、人工智能和机器人三种技术融合之后对通信系统的要求^[1-2]。

基于以上技术发展的趋势，且目前CAN总线实验系统大多集中于某对象的总线参数采集，缺乏满足不同系统，特别是智能系统需求的通用性和柔性化研究。现有CAN总线教学平台在具体应用对象的先进性等方面存在滞后；先进的理论与落后的实验系统形成诸多教学矛盾和障碍，为此，急需开发一套基于CAN总线的柔性化测控实验平台^[3-6]。

2、CAN总线实验平台原理

通过相关硬件模块和软件相互结合的实验模式，使学生掌握CAN总线的基本原理，考虑到实验项目各控制系统功能差别大、通信协议不一致和监控需求不一等特点，CAN总线柔性化测控平台满足灵活性、通用性和实时性要求，既具备总线参数监控功能，能够实时采集和自动解析报文参数，又能实现报警、存储、图形化显示等功能，有良好的可扩展性、主流构型、产业应用，从而使学生通过该实验平台实现通信数据的上传和下达、丢包率的计算、误码率的计算、尝试进行通信系统优化设计，即降低误码率的设计等相关通信技术，具备独立设计针对特定智能系统的通信系统选型与设计能力。本实验平台针对某种型号的智能芯片全生命周期检测系统，利用基于CAN总线的柔性化测控实验平台实现该芯片检测系统的实时报文采集、报文解析、曲线显示、数据存储、参数报警、硬件状态监测等功能，同时满足用户的交互性操作，如数据拖动、参数配置等，为保证数据的实时性，本实验平台利用队列来处理数据流，同时借助全局变量传递各项参数，利用多线程方式保证各项功能的灵活性。

软
件平台搭建完成后，将结合芯片检测系统，进行参数数据的上传和下达，在此过程中，体现CAN总线通信的原理和技术应用。同时通过该实验平台，结合“机电传动与控制”课程，根据芯片检测被控对象的特性整 PID参数，为此本实验平台设置了图形显示功能，可以根据需要增添图形化显示参数和更新速率，通过 PID 参数整定的原则进行参数整定，图形化显示功能同时可便于观测控制系统的参数变化。

图1 硬件实验平台设计思路

本平台将借鉴笔者以往从事的水下通信系统设计思想(如图1)，在芯片检测系统中引入两套CAN通信，构成冗余设计，一备一用，这样也便于教学实验的组织，可以让学生分组进行切换性实验。

3 结语

通过相关硬件模块和软件相互结合的实验模式，使学生掌握CAN总线的基本原理，考虑到实验项目各控制系统功能差别大、通信协议不一致和监控需求不一等特点，CAN总线柔性化测控平台满足灵活性、通用性和实时性要求，既具备总线参数监控功能，能够实时采集和自动解析报文参数，又能实现报警、存储、图形化显示等功能，有良好的可扩展性、主流构型、产业应用，从而使学生通过该实验平台实现通信数据的上传和下达、丢包率的计算、误码率的计算、尝试进行通信系统优化设计，即降低误码率的设计等相关通信技术，具备独立设计针对特定智能系统的通信系统选型与设计能力。

参考文献：

1. Glumineau A, Moog C H, Plestan F. New algebraic-geometric conditions for the linearization by input-output injection[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1996, 41(4): 598-603.

2. Jiang Z P, Mareels I M Y, Wang Y. A Lyapunov formulation of the nonlinear small-gain theorem for interconnected ISS systems[J]. Automatica, 1996, 32(8): 1211-1215.

3. Alessandri A. Observer design for nonlinear systems by using input-to-state stability[C]. Proceedings of the 43th IEEE Conference on Decision and Control. Paradise Island, 2004: 3892-3897.

4. Li W Q, Jing Y W, Zhang S Y. Output feedback stabilization for stochastic nonlinear systems whose linearizations are not stabilizable. Automatica[J], 2010, 46(4): 752-760.

5. Li W Q, Xie X J, Zhang S Y. Output feedback stabilization of stochastic high-order nonlinear systems under weaker conditions[J]. SIAM Journal on Control and Optimization, 2011, 49(3): 1262-1282.

6. Liu L, Xie X J. Output-feedback stabilization for stochastic high-order nonlinear systems with time-varying delay[J]. Automatica, 2011 47(12): 2772-2779.
作者简介：郭龙川，博士，男，杭州人，现任教于杭州电子科技大学

基金项目：本文受国家自然科学基金(61807010)和浙江省自然科学基金(LQ18F030007)资助